揭示物質結構之謎 | 鄭志鵬

鄭志鵬

中國科學院高能物理研究所

特發鄭志鵬先生為《現代物理知識》的讀者撰寫的一篇優秀科普文章，以志紀念。

鄭志鵬先生在北京譜儀控制室

一

物質構成之謎—一個古老而年輕的哲學命題

望著茫茫大海、巍巍山巒,自古到今,有多少人在思考:世界萬物是由什么構成的?它有最小結構嗎?如果有,那是什么呢?

早在周代,我們的祖先就提出了五行說,即萬物由金、木、水、火、土五種物質原料構成。《周易》中有“太極生兩儀,兩儀生四象,四象生八卦”的哲學思想。太極即世界的本源，兩儀是天地，四象是春、夏、秋、冬四季，八卦是天、地、雷、風、水、火、山、澤，它們演出世界萬物。戰國時期的老子說：“道生一，一生二，二生三，三生萬物。”二指的是陰和陽，陰陽統一為“沖氣”，三者產生萬物。在漢代出現了天地萬物由“元氣”組成的哲學觀。古希臘人認為水、火、空氣和泥土構成物質的基本元素。古希臘哲學家德謨克利特把構成物質的最小單元叫做“原子”。中國戰國時的墨翟也提出了類似原子說的觀點。他認為“端，體之無厚，而最前者也”。端是物的起始，把物體分割到“無厚”，便達到最前的質點。就是說：物體可以兩半兩半地分下去，如果剖到“無”就不能再剖下去了。這就是原子說的思想。

古代思想家和哲學家對物質結構的認識，只是靠思辨和猜想，真正對物質構成進行科學的研究和解釋，是近二三百年來的事情。

300年前，英國科學家R.玻意耳提出化學元素的概念；100多年前，俄國科學家D.門捷列夫從已發現的元素中發現了規律性，制成了元素周期表，預測了未發現的元素的特性。從此人們認識到，我們周圍的一切物質都是元素組成的，每一種元素都有化學性質相同的原子。

近百年來，在科學實驗的基礎上，物理學家發現了電子、質子和原子核并逐步形成了原子模型，認識到原子是由原子核與核外運動的電子所組成。最初的認識是原子核由質子組成，一定數目的電子和相同數目的質子組成原子，不同電子數和不同質子數的原子構成不同的元素。

本世紀30年代，科學家們又陸續發現了中子、正電子，后來在宇宙線中又發現了μ子，π介子和奇異粒子。50年代以后，通過高能加速器又發現了大批新粒子。這里所說的“粒子”是指比原子核更小的下一個層次的微小顆粒。到目前為止，已發現的粒子有幾百種，它們當中絕大多數在自然界中不存在，是在高能實驗室里產生出來的。

這數百種粒子之間有什么聯系？它們之中哪些是更基本的？這是粒子物理學要回答的問題粒子物理學的實驗研究需要在很高能量下產生粒子并且進行探測, 因此粒子物理又稱為高能物理。

按照目前近代物理研究的最新成果,物質的最小構成單元不再是分子、原子, 而是夸克和輕子（電子是其中的一種）見圖1，人們對微觀世界認識的尺度一下子深入到原來的十億分之一。

圖1 從分子到夸克和電子

二

物質結構研究的當代進展

粒子物理學的目標是探索物質的基本組元:和它們之間相互作用的規律。近40年來,它在對相繼發現的數百種粒子性質的研究中,總結出如下規律：

所有粒子的運動遵循四種基本力的相互作用規律；

夸克、輕子和傳播子(即傳遞力的粒子)是更為基本的粒子。

科學家們對四種基本力、粒子性質進行理論和實驗研究,總結其規律性和提出理論模型。

1.四種基本本力

人類迄今認識到：世界萬物的千變萬化,可歸結為四種基本力見表1,即引力、弱力、電磁力和強力的相互間作用規律。

表1 四種基本力

引力和電磁力是大家已經熟悉的。牛頓受蘋果落地的啟示發現了萬有引力定律。我們的祖先發明了指南針是磁力應用的先例。

弱力和強力在宏觀世界中不能直接觀察到,它們都是在很小的距離內才起作用,只有在微觀世界即粒子間的相互作用中才顯示出來。

弱力在中子及其他粒子衰變過程中出現,其強度比引力強,但比電磁力弱得多。

強力是夸克之間的相互作用力,其強度最大這種力使夸克組合成強子。

每一種力都通過一種相應的粒子來傳播。弱力的傳播子是中間玻色子W+, W- 和Z0；電磁力的傳播子是光子；強力的傳播子是膠子；引力的傳播子由于作用太弱,極難探測到,至今尚未發現。

2.粒子的性質

根據作用力的特點,粒子分強子、輕子和傳播子三大類。

強子是所有參與強力作用的粒子的總稱,它們由夸克組成。已發現的夸克有六種：上夸克、下夸克、奇異夸克、粲夸克、底夸克和頂夸克。現有粒子中絕大部分是強子, 質子、中子、π介子等都屬于強子。

輕子只參與弱力、電磁力和引力作用, 而不參與強相互作用。輕子共有六種, 即電子、電子中微子、μ子、μ子中微子、τ子、τ子中微子(尚待發現)。電子、μ子和τ子是帶電的,所有的中微子則不帶電。τ子是1975年發現的重要粒子。它的質量很重,是電子的3600倍,質子的1.8倍,不參與強作用,仍屬輕子,因而又稱重輕子。

傳播子也屬于基本拉子。傳遞強作用的膠子共有8種, 1979年在三噴注現象中被間接發現,它們可以組成膠子球,但至今尚未被直接觀測到。傳遞弱作用的W+, W-和Z0中間玻色子是1983年發現的,非常重,是質子的80一90倍。

粒子要比原子、分子小得多,用現有最高倍的電子顯微鏡也不能觀察到。

原子的尺寸為10-8厘米,即1億個原子排列在一起才有1厘米。質子、中子的大小為10-13厘米,也就是說,只有原子的十萬分之一。輕子和夸克的尺寸更小,都小于10-17厘米,即不到質子、中子的萬分之一。

粒子的質量是粒子的主要特征量。現有的粒子質量范圍很大,從0到176吉電子伏。

光子、膠子是無質量的；電子質量很小,只有0.5兆電子伏,π介子質量為電子質量的280倍；質子、中子都很重,接近電子質量的2000倍,約為1吉電子伏；中間玻色子Z0,其質量為90吉電子伏。

較早發現的五種夸克,從下夸克到底夸克,質量從輕到重。下夸克質量只有0.3吉電子伏,而底夸克重達5吉電子伏,最近發現的頂夸克的質量高達176吉電子伏。

質量的大小不是拉子是否基本的判據。例如底夸克是基本的,但其質量約為質子(不是基本的)的5倍,為π介子(也不是基本的)的30多倍。

中微子有無質量？這是理論和實驗都十分關心的問題,不但對粒子物理而且對宇宙學和天體物理都有很大影響。目前給出三種中微子質量的上限越來越小, 例如已測得電子中微子的質量小于7電子伏,即為電子質量的七萬分之一, 已非常接近于零。實驗物理學家仍在努力,期望繼續提高三種中微子的質量測量精度。

為什么粒子具有不同的質量？有何規律性？按照粒子物理的規范理論,所有規范粒子的質量為零,而規范不變性以某種方式被破壞了,使夸克、帶電輕子、中間玻色子獲得質量。這種理論獲得一定成功,但將繼續受到實驗的檢驗。

粒子的壽命也不相同。電子、質子、中微子是穩定的,稱為“長壽命”粒子；而其他絕大多數的粒子是不穩定的,即可以衰變。例如一個自由的中子衰變成一個質子、一個電子和一個中微子；一個π介子衰變成一個μ子和一個中微子,其壽命是以強度衰減到一半的時間來定義。粒子大多數是“短命”的,其短促的程度,以作用力的形式而定,在丁10-6一10-23秒范圍。以一個小質量強子為例,其典型的壽命是：弱力衰變為10-10秒左右；電磁力衰變為10-20秒左右；強力衰變則是10-23秒。要在這樣短的時間內去“抓住”它們進行研究,是一件極不容易的事情。

質子的穩定性雖曾受到理論的挑戰,但實驗已測得的質子壽命大于1033年,也就是說,那些預言質子不穩定的論斷沒有得到已有實驗的支持。

19世紀末發現了電子,測得了它的質量和所帶負電荷。1932年發現了一個與電子質量相同但帶一個正電荷的粒子,稱為正電子。以后又陸續發現許多相類似的情況,例如發現了一個帶負電、質量與質子完全相同的粒子,稱為反質子。從大量實驗測量和理論分析中得知，粒子世界具有對稱性：有一個粒子,必存在一個反粒子,夸克和輕子都是這樣。

一對正、反粒子相碰可以湮滅,變成無靜止質量的光子。反之,兩個高能光子碰撞時有可能產生一對新的正、反粒子。與此類比,膠子與正、反夸克對之間也能互相轉變。

粒子還有另一種屬性—自旋。自旋為半整數的粒子稱為費米子,為整數的稱為玻色子。微觀世界的粒子具有雙重屬性—粒子性和波動性,例如,電子束像波一樣可以形成衍射圖像。

3.三代夸克、輕子模型

50年代至年60代初,人們將已發現的強子進行排列和組合,期望找到類似于元素周期表的規律性。將所有的強子按電荷、自旋等特征排列,構成了有規律的對稱圖案。引入“強子是由三種更基本的粒子(現記為上夸克、下夸克、奇異夸克)組成”的概念,可以解釋上述的對稱性規律。這稱為夸克模型。這一模型預言存在著一個新的粒子Q-,以后的實驗果真找到了它。

中國的理論物理學家在60年代中期,從結構的角度出發,發展了計算方法,提出了層子模型,豐富了夸克模型。

1974年,丁肇中領導的一個小組和B.里克特領導的另一個小組獨立地發現了一個新的粒子J/ψ,其質量相當重,壽命很長。三種夸克的模型已不能解釋它的產生和衰變特性,必須引入第四種夸克(粲夸克)。J/ψ粒子是由粲夸克和反粲夸克組成的。

1977年又發現了一個稱為γ的新粒子,揭示了第五種夸克底夸克的存在。

已知的幾百種強子,都是由這五種夸克構成的,例如：質子由兩個上夸克加一個下夸克組成,等等。

從對稱性的觀點看,應該存在第六種夸克,即頂夸克。1994年費米國家實驗室為這種夸克的存在提供了實驗證據,1995年加以確認。

夸克和輕子都是基本粒子,理論和實驗上都發現了它們之間有某些關聯。這種規律性可以從表2看出。

表2 三代夸克和三代輕子

表2按粒子發現的先后順序分為“代”,每列為一代,共有三列,即三代。是否還存在著更多的基本粒子？有沒有第四代、第五代？這不但是粒子物理,也是宇宙學所關心的事。

4.守恒律和對稱性

物質是不斷運動和變化的。在變化中也有些東西不變,即守恒。例如運動過程中能量是守恒的。

粒子的產生和衰變過程都要遵循能量守恒定律。此外還有其他的守恒定律,例如輕子數和重子數守恒,這是基于實驗上觀察不到單個輕子和重子的產生和湮滅,必須是粒子、反粒子成對地產生和湮滅而總結出來的。

自然界許多圖像表現了某種對稱性,物理規律也有這種對稱性。例如：物理過程在空間反射下是對稱的,在粒子物理中用宇稱（P）來描寫這種對稱性。在粒子相互作用過程中,也存在著這種左右對稱性。1956年,李政道、楊振寧根據某些實驗的跡象大膽提出在弱作用下宇稱可以不守恒,后來被β衰變左右不對稱實驗所證實。

對稱性還包括時間反演、粒子與反粒子變換等。實驗上也發現了粒子、反粒子變換與宇稱聯合反演對稱性（CP對稱性）在弱作用下同樣可以被破壞,但其原因尚不清楚,是粒子物理學家正在研究的一個重要課題。

5.標準模型—近代粒子物理理論的基礎

描述粒子的粒子性和波動性的雙重屬性以及粒子的產生和消滅過程的基本理論是量子場論。各種粒子由相應的量子場來表示。

量子場論和規范理論十分成功地描述了粒子及其相互作用。經過20多年的不斷摸索,從實踐一理論一實踐反復過程中,逐步建立和發展了一種稱為標準模型的粒子物理理論。

標準模型是以夸克、輕子作為基本粒子,以弱作用和電磁作用(簡稱弱一電)統一理論以及量子色動力學理論為框架。

前面已經講過,世界上存在四種基本作用力。它們是完全無關的嗎？經過長時間的探索、研究,物理學家發現弱力與電磁力之間存在著某些聯系,逐步建立起來了弱一電統一理論。這一理論與實驗符合得很好,它預言的三個中間玻色子W+,W-和Z0都在實驗中發現了。它預言的另一個粒子“黑格斯”至今尚未找到,是因為質量太大,加速器能量不夠,還是什么別的原因？只有通過實踐來檢驗。

目前有些理論物理學家很想建立一種稱為“大統一”的理論,試圖把弱力、電磁力和強力統一起來,但遇到很多困難。近年來又提出了超對稱大統一理論。

量子色動力學是描述強相互作用的理論,它較好地解釋了為什么看不到單個的夸克以及解釋了強子噴注現象等事實。

迄今為止,標準模型是一個比較成功的理論,有實驗基礎的支持,但也還存在著一些問題,如理論參數多至20個,黑格斯粒子未被發現等。這個理論還有待于發展。

理論和實驗都在尋找超越標準模型的理論和違反標準模型的實驗。這是尋求新物理突破的希望,但根本也還在于實驗。

三

龐大的高能實驗裝里—研究物質結構的有力工具

1、為什么要建造高能加速器？

粒子物理研究的工具是高能加速器和粒子探測器,形形色色的粒子靠它們來產生和探測。自60年代出現高能拉子加速器以來,大批的粒子相繼被發現。

在粒子物理中,通常稱100兆電子伏以下為低能(原子彈爆炸時的核作用在兆電子伏量級, 在粒子物理現象中屬低能),100兆電子伏至3吉電子伏為中能,3吉電子伏以上稱為高能。因此,高能加速器是指粒子反應能在3吉電子伏以上的加速器。

按愛因斯坦“質能公式”,即E=mc2。(m是粒子質量,c是光速,E 是產生質量m的粒子所需要的能量),要產生一定質量的粒子,需要相應能量。我們所研究的高能粒子,有的是很重的(如Z0粒子),沒有足夠的能量不足以產生,因此需要高能加速器。

需要高能加速器的另一個原因是粒子束流能量越高,波長越短,越能深入物質內部去獲得更多的信息。

高能加速器是在低能加速器的理論和技術基礎上發展起來的,其原理也是使帶電粒子在電場中獲得能量而加速,用磁場約束其運動軌道。原理雖然簡單,但技術十分復雜。

60年代的高能加速器只產生一束高能粒子,作為“炮彈”轟擊固的“靶”而產生出新的粒子。“炮彈”的能量不同,產生的物理現象也會不同。隨著加速器能量的提高,發現這種實驗方式存在著很大的能量損失,想要繼續提高參與反應的能量,需要付出很高的經濟代價。對撞機就是在這樣的背景下應運而生。它大大提高了有效作用能量,有較好的性能一價格比。

2.對撞機的原理和類型

對撞機同時加速兩種粒子,使它們沿相反方向運動和得到加速,然后在固定位置上發生碰撞。這樣可以得到很高的有效作用能,而且不需要的粒子少,當然,技術難度要大得多。

目前世界上的高能加速器中對撞機占多數,有正一負電子對撞機、質子一反質子對撞機質子一質子對撞機和電子一質子對撞機,最多的是正一負電子對撞機。我國在1988年建成的北京正一負電子對撞機（BEPC）,能量為5.6吉電子伏,規模較小,能量較低,但對撞亮度高,即對撞時產生新粒子的概率大,工作在粲夸克和τ輕子的研究領域。西歐核子研究中心的LEP是當今世界上能量最高的正一負電子對撞機,能量為100吉電子伏,主加速器周長27公里。

目前,世界上有兩臺超高能對撞機的建造計劃,一臺是美國的超級超導質子一質子對撞機（SSC）,能量為40太電子伏,周長87公里,耗資110億美元。由于美國經濟不景氣,赤字太大, 該計劃已被美國國會否決而夭折。另一合是西歐核子研究中心的大型強子（質子一質子）對撞機,能量為16太電子伏。物理學家期望在其上產生頂夸克和發現黑格斯粒子及其他新粒子和新現象。

我國加速器的發展,在80年代末90年代初進入了一個新階段。三臺大型加速器相繼問世。它們是：北京正一負電子對撞機（高能）,蘭州重離子加速器（中能）和合肥同步輻射加速器（中能）。雖然它們能區不同、研究內容各異,但都努力進入國際同類加速器的前列,做出國際第一流水平的成果。

3.觀測粒子的眼睛—探測器

由高能加速器或對撞機產生的新粒子用大型粒子探測器來觀測。將探測器安裝在對撞機的粒子對撞區,盡可能把對撞點包圍起來,以得到最大的接收立體角。

所有大型粒子探測器都是多種探測器的組合體,原理相似,結構各異,規模不等。各種探測器的基本原理是使帶電粒子在穿過物質時,由于電離效應、輻射效應等留下徑跡,用電子學方法和計算機手段捕捉這些信息,再加以放大、分析處理,以得到粒子的能量、速度、動量等。

探測器的一個重要指標是粒子的分辨率,通常是由測得的粒子能量、速度、動量等得到粒子的質量,或根據不同粒子與物質相互作用的特性來確定粒子的類別。當今的探測器都充分利用大型計算機來迸行數據的獲取和分析。

隨著能量的增加,探測器更加龐大和復雜。對撞后產生的粒子數增多,對觸發速率、數據獲取率、電子學和探測器計數率、探測器的抗輻照能力、計算機數據處理和分析能力都提出了更高要求。在電子對撞機上的探測器大多是對稱的,而在德國的HERA上工作的探測器則前后不對稱,以適應電子、質子能量不同的要求。

工作在北京正一負電子對撞機上的北京譜儀（BES）是我國自行設計、制造的粒子探測器,是國際上在該能區工作的最先進的探測器之一,運行3年來獲得的物理結果受到了國際上的關注。1992年,完成τ輕子質量的精確測量,對過去的結果修正了7.2兆電子伏,將精度提高了10倍,為解決τ壽命、分枝比與標準模型框架之一的輕子普適性理論的矛盾問題起了關鍵作用。該結果在國際高能物理大會上宣布后引起普遍的重視,專家們認為這是近幾年高能物理最重要的實驗之一。此外,它還在J/ψ、粲物理研究方面取得了令人矚目的結果。這一系列的成果已得到國際高能物理同行的承認,說明我國在τ輕子和粲夸克領域的研究方面已在國際高能物理界占有一席之地。

4.粒子物理面臨的挑戰

40年來,粒子物理學有很大進展, 但仍有:許多基本問題需要解決。如：

夸克和輕子有沒有結構？難道它們是最基本的嗎？基本粒子是否能“分”下去？

夸克和輕子為什么會有不同質量？質量的來源是什么？

黑格斯粒子為什么至今尚未發現？

夸克、輕子是否只有三代？代的基源是什么？

弱作用下粒子反粒子變換一宇稱聯合反演對稱性（CP）破壞的來源是什么？

這些問題都是今后粒子物理要研究的課題。

標準模型仍存在著問題,人們希望能在理論和實驗上取得新的結果,使標準模型有所突破。

物理學的基礎是實驗,因此,人們寄希望于未來的超高能和高亮度加速器。

四

物質結構研究與其他學科的交叉及高技術

粒子物理的貢獻首先是將人們對物質構成的認識大大向前推進了。

幾千年來,人類對物質結構的探索,只是在近兩三百年里,特別是近百年里才進入科學階段,得出了物質最小構成單位是原子的科學論斷,有了原子模型。粒子物理使認識深入到亞原子（或亞原子核）階段,了解到物質構成的單元已小到夸克和輕子。認識的尺度分別縮小到原來的十億分之一（相對于原子）和一萬分之一（相對于原子核）。它向人們展示了科學發展的突飛猛進,同時也告訴人們：事物是不斷發展的,認識是無止境的,對構成物質結構的最小單位的了解是不斷深化的。粒子物理的研究,還使我們知道了除了電磁力、引力以外還存在著弱力和強力；知道了還存在數百種粒子；知道了能量、空間、時間之間的深刻關系和微觀世界存在的這許多神秘有趣的規律,其中有些規律直接影響到宏觀世界。這些認識直接影響著整個科學界,大大豐富了人們對物質世界的認識,因此衍生出許多學科和推動了技術的發展。正因為如此, 30年代以來,因與粒子物理研究成就有關而獲諾貝爾獎的科學家就有30多位,其中包括華裔物理學家李政道、楊振寧和丁肇中。

建造高能加速器和探測器的多種高技術,為相應的工業技術帶來了發展的機會和條件,促進了廣泛的經濟領域中的應用。

下面僅舉一些例子,說明粒子物理對基礎科學和應用技術的直接影響。

在基礎科學方面,粒子物理研究對以最大尺度空間物質結構和運動規律為研究對象的宇宙學和天體物理學產生極大影響。宏觀世界和微觀世界在粒子物理學中奇妙地結合起來,粒子物理的許多知識有助于檢驗宇宙大爆炸模型；中微子質量問題在宇宙星系結構中有重大影響；宇宙學同樣關心有幾代輕子；宇宙學假定暗物質（一種目前尚不能感知的物質）的存在,也要由粒子物理實驗來檢驗；大統一理論的成功與否,也對宇宙學產生影響。反之,宇宙學的研究成果,也對粒子物理產生影響。

原子核物理一直與粒子物理有著密切的聯系。核子由夸克構成以及核力通過膠子交換等概念直接影響了核物理。高能輕子對核的散射實驗表明,原子核不是一個簡單的多個核子的集合體系。

凝聚態物理因粒子物理中的量子場論的應用而大獲成功。重整化群的方法為正確地認識二級相變產生了革命性的影響,反過來又應用到粒子物理領域。兩個學科在交流、啟發中相互促進。

粒子物理也影響著原子物理、宇宙線物理等。

高能加速器和探測器的建造得益于科學技術的發展,如高頻技術、強流技術、高真空技術、強磁場技術、超導技術、計算機應用等；高能物理的發展又對這些技術提出更新更高的要求和發展的機會,因而也帶來了相應工業的發展。

下面僅舉幾個加速器應用的例子：

40年代,電子加速器開始用于癌癥治療,隨著高能加速器應用的推廣,現在已將粒子加速器直接或間接產生的電子束、質子束、π束、X射線、中子束用于治療癌病。加速器也用于生產醫用放射性同位素。

粒子加速器在工業輻照和工業探傷方面的應用已經歷了30多年的發展,某些方面的應用在國際上已形成產業。如用工業輻照加速器進行高分子材料的交聯改性、生產復合材料、食品防腐和保鮮、醫療品消毒等。

高能直線加速器大功率束調管技術的發展,促進了大功率發射管技術的提高,從而推進了廣播通訊事業的發展。

同步輻射是加速器應用的一個重要而有極大發展前途的分支。50年代在同步加速器上發現了電子作圓周運動時產生的輻射現象—同步輻射, 60年代將這種電子輻射加以利用,到70年代, 已形成一門蓬勃發展的應用學科。現在已經發展到了第三代專用同步輻射光源,把同步光源應用到凝聚態物理、原子分子物理、材料科學、生物學、化學、冶金學、地礦學、醫學等研究方面,也應用到了大規模集成電路光刻和超微細結構的加工方面。我國同步輻射正在向更廣泛的研究和應用領域滲透。

我國的北京正一負電子對撞機當前主要用以進行高能物理實驗,也用以進行同步輻射的研究和應用。在合肥還建成了專用同步輻射光源。在我國已經有了發展同步輻射研究的良好基礎。

大型計算機的應用是粒子物理實驗所不可缺少的,粒子物理的實驗要求和各種先進的軟件帶動了計算機事業的發展,也使許多學科受益。

可以說,基本粒子雖小,但所起的作用卻不容忽視；研究內容雖然抽象,但與人們的切身利益有關。

我國的高能物理研究是在周恩來、鄧小平直接關懷下發展起來的,大規模、系統的研究始于對撞機建造之后。如何創造出更多國際一流水平的成果,牢牢占領國際高能物理領域的一席之地,為人類做出貢獻,是擺在我國科學工作者面前的神圣任務。

本文選自《現代物理知識》1995年3期YWA編輯

《物理》50年精選文章